O movimento principal da articulação do joelho é a flexão e extensão que ocorre no plano sagital; ao contrário do que se possa pensar, este não é um movimento simples. Durante a flexão e extensão do joelho, o fémur, para além do movimento de rotação, efetua um movimento de deslizamento, o que faz com que o centro de rotação do joelho não seja fixo mas exista um centro instantâneo de rotação (CIR) [29].
A definição de centro instantâneo de rotação é um ponto, comum a dois corpos em movimento plano, em que o ponto tem a mesma velocidade instantânea nos dois corpos [30].
Este representa o ponto solidário do plano que tem velocidade nula nesse instante [31].
No caso de uma pessoa com uma amputação transfemoral, esta estrutura é seccionada, deixando o coto do membro residual só com parte da musculatura disponível [29].
Para substituir a articulação foram desenvolvidas diversas próteses externas com mecanismos de centro fixo ou policêntricos: no caso do joelho de um eixo, a flexão e extensão fazem-se em torno de um eixo único fixo, enquanto no policêntrico, o eixo da articulação move-se em função do ângulo de rotação do joelho. No caso do mecanismo de 4 barras, o CIR que se associa à rotação propriamente dita do joelho, localiza-se no prolongamento das barras anterior e posterior, o que permite realizar movimentos de translação e rotação durante a flexão do joelho [29].
Do ponto de vista das próteses existentes, a estrutura do joelho prostético pode globalmente ser classificada em 4 categorias:
A primeira categoria, chamada “joelho fixo”, é a articulação do joelho com um sistema de bloqueio. Este mecanismo de bloqueio pode ser conseguido com um cabo ou uma barra de bloqueio. O joelho é bloqueado quando a perna está completamente estendida e livre para dobrar quando os amputados puxam o cabo ou carregam na barra de bloqueio para desbloquear. O joelho fixo é em geral usado pelos mais idosos com baixa atividade, ou amputados cuja força
A segunda categoria, “load brake knee” ou “safety knee”, é a articulação do joelho com auto- bloqueio por carga. Este tipo de joelho vem equipado com um sistema de travagem e é utilizado habitualmente em pessoas com atividade moderada. Quando a perna está completamente direita, o peso pode ser usado como travão para evitar que a perna dobre [2].
A terceira categoria é o joelho cujo centro instantâneo de rotação (CIR) é variável e pode ser chamado um joelho multi-eixo. Um joelho multi-eixo é um mecanismo composto por várias barras interligadas, sendo o mais comum o sistema de 4 barras [2].
A quarta categoria é um joelho completamente funcional, multi-eixo, habitualmente com 5 ou 6 barras, com as vantagens do safety knee. Comparando com o sistema de 4 barras, é adicionado um balancim acima da ligação superior. Desta forma, o centro instantâneo de rotação é colocado ainda mais atrás para aumentar a segurança e fiabilidade durante a fase de apoio [2].
3.1.1 Prótese uniaxial
O tipo mais comum de joelho é o de eixo único, em que a flexão e a extensão ocorrem em torno de apenas um eixo. As vantagens deste design são a sua fiabilidade, simplicidade, baixa manutenção e baixo custo. Esta é uma prótese simples e raramente utilizada com exceção de países em desenvolvimento [16].
Assim, apesar da simplicidade do design e limitações, o joelho prostético de um eixo é fiável e barato, adequado a indivíduos com pouco acesso a cuidados médicos regulares [16].
3.1.2 Prótese multi-eixo
A complexidade do funcionamento do joelho humano, associada à sua estrutura anatómica, tem impossibilitado igualar o seu comportamento com dispositivos prostéticos. Não obstante, os mecanismos policêntricos simulam (em comparação com os de um só eixo) mais adequadamente o movimento natural desta articulação [29].
O mecanismo do joelho policêntrico consiste na utilização de vários pontos de rotação, cada um deles conectado por uma barra de ligação. Isto permite um controlo ótimo das fases de balanço e apoio na marcha [16].
Outra das caraterísticas do sistema policêntrico é a melhor estabilização do apoio, facilitando a flexão do joelho pré-balanço. Com um centro de rotação mais proximal e posterior, este aparelho resulta numa maior estabilidade da prótese [16].
Quando o joelho flete alguns graus, o centro instantâneo de rotação é deslocado para uma posição anterior, facilitando a continuação da flexão acompanhada por uma ligeira diminuição no comprimento da prótese, ou seja, a distância dos pés ao chão pode aumentar até 10 a 20 mm durante o balanço da perna, diminuindo o risco de tropeçar [16].
Um joelho biónico deve adotar um mecanismo multi-eixo porque este consegue simular melhor o movimento humano, melhorando a estética e a funcionalidade [10, 27].
Os sistemas multi-eixo de 5 ou 6 barras tem a vantagem de permitir posicionar o centro de rotação do joelho numa posição posterior à que pode ser atingida por um sistema de 4 barras, possibilitando a criação de dispositivos mais seguros. No entanto, estes sistemas têm mais variáveis do que as que se podem controlar, têm um funcionamento e estrutura mais complexa, à qual se podem associar um maior custo e manutenção. Neste trabalho em concreto, em que se pretende um sistema de controlo voluntário de rotação, não é desejável que o posicionamento do centro de rotação seja colocado muito atrás do joelho. Considerando o exposto, decidiu adotar-se a solução de 4 barras, sistema que garantia as condições de funcionamento pretendidas para o sistema [12, 29].
Concretizando, as vantagens do sistema de 4 barras face ao sistema de um único eixo são: O centro de rotação do joelho varia de posição em função do ângulo deste, descrevendo
uma curva que se assemelha a um “J” e que corresponde bem ao mecanismo do joelho humano [10, 12].
É necessário um espaço entre o pé e o solo para evitar a colisão durante a fase de balanço. Para garantir esse espaço, muitos pacientes inclinam o corpo no sentido da perna de apoio ou descrevem um arco com a perna no plano horizontal. Nos sistemas com um único eixo, há tendência para fazer a prótese ligeiramente mais pequena que a perna saudável, afetando a simetria da marcha e estética. Usando o sistema de 4 barras o comprimento efetivo da prótese é reduzido quando o joelho dobra pela variação da posição do CIR, reduzindo o risco do contacto da ponta do pé ao caminhar em terrenos desnivelados, irregulares, rampas ou escadas [10, 12, 28]. Esta situação é mostrada nas Figura 3.1 e Figura 3.2.
Figura 3.1 Demonstração da diminuição da dimensão da prótese com o sistema de quatro barras durante a flexão do joelho - o comprimento total da perna é dado, no caso totalmente distendido por C1 e, após flexão, por C2 [32]
Figura 3.2 Comparação da altura ao solo durante a flexão entre uma prótese de eixo único (à esquerda) e uma prótese com o sistema de quatro barras [14]
A estabilidade da prótese é conseguida através do mecanismo do joelho e a utilização da reação com o solo. A linha de ação da reação com o solo vai estar à frente do CIR o que faz o joelho esticar e evitar a flexão quando o calcanhar toca o solo. Durante o período em que a perna se encontra esticada, a estabilidade para que a articulação do
Controlando o posicionamento do CIR em relação à carga definida pela força de reação com o solo, o mecanismo policêntrico permite incrementar a estabilidade da marcha do paciente. No caso da prótese de um eixo, o centro de rotação é fixo e para garantir a mesma estabilidade é necessário que o paciente amputado exerça um binário de extensão do quadril [29].